DE2236780A1

DE2236780A1 - Verfahren zum errichten und betreiben von mindestens zwei kernreaktoren

Info

Publication number: DE2236780A1
Application number: DE2236780A
Authority: DE
Inventors: Walter Dr Rer Nat Kollmar; Hans Dr Phil Maerkl; Klaus Dipl Phys Thieme
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-07-26
Filing date: 1972-07-26
Publication date: 1974-02-07
Also published as: SE401579B; CH558068A; US3928128A; FR2194019A1; JPS4957293A; GB1436465A; FR2194019B1

Description

Verfahren zum Errichten und Betreiben von mindestens zwei Kernreaktoren.

Ea ist bekannt, die Reaktorkerne von Kernreaktoren zur Energieerzeugung, insbesondere von Leichtwasserreaktoren, aus mehreren Gruppen von auswechselbaren Brennelementen gleicher äußerer Abmessung zusammenzusetzen, die verschiedene Anreicherungen aufweisen. Die Brennelemente werden nach einem Abbrand- oder Brennelementzyklus ausgewechselt oder umgesetzt, um eine gute Ausnutzung und eine gleichmäßige Leistungsverteilung über den Reaktorkern zu erhalten.

Nach der deutschen Offenlegungsschrift 2 008 723 sollen die Brennelemente beim Umsetzen verändert werden, und zwar durch Ausbau oder Auswechseln einzelner Brennstäbe in den Brennelementen, damit das für die Reaktivität bestimmende Verhältnis von Brennstoff zu Wasserstoff dem Abbrand angepaßt wird. Die veränderten Brennelemente können, wie in der Offenlegungsschrift unter anderem gesagt ist, auch in anderen Kernreaktoren eingesetzt werden. Wie und in welchem Umfang ist jedoch offen gelassen. Vor allem setzt die Veränderung der Brennelemente Anlagen zur Handhabung von strahlendem Material voraus, die normalerweise nicht in üblichen Kernreaktoren zur Verfügung stehen. Man wird deshalb kaum ohne den Transport in eine Brennelementfabrik auskommen, der angesichts der Strahlung zusätzlich zu der Bearbeitung einen hohen Aufwand erfordert.

Die Erfindung hat sich das Ziel gesetzt, die Ausnutzung des Brennstoffes von Kernreaktoren zu verbessern, ohne daß die bestrahlten Brennelemente bearbeitet werdan müssen. Zu berücksichtigen ist dabei, daß die Kosten von Brennelementen ohnehin zu einem sehr hohen Anteil durch Fabrikationskosten bestimmt sind (ca. 30?

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Ausgehend von einem Verfahren zum Errichten und Betreiben von mindestens zwei Kernreaktoren mit Reaktorkernen, insbesondere Leichtwasserreaktoren, die mehrere Gruppen von auswechselbaren Brennelementen gleicher äußerer Abmessungen aber verschiedener Anreicherung aufweisen, besteht die Erfindung darin, daß der erste Kernreaktor errichtet und für die Bauer mindestens eines Brennelementzyklus betrieben wird, und daß der zweite Kernreaktor errichtet und nach Ende des Brennelementzyklus des ersten Reaktors fertiggestellt und dann mit einem Reaktorkern versehen wird, der zu 10 bis 50#, vorzugsweise zu 20 bis 40$ aus Brennelementen des ersten Kernreaktors besteht, die während eines Brennelernentzyklua abgebrannt worden sind und ohne Bearbeitung in den zweiten Reaktor eingebaut werden.

Bei der Erfindung wird die sonst aus einem Kernreaktor ausgebaute und allenfalls der Wiederaufbereitung zugeführte Gruppe von Brennelementen, die üblicherweise den kleinsten Multiplikationsfaktor " K00η aufweist, als Teil des Erstkerns eines neuen Kernreaktors eingesetzt. Dadurch spart man für diesen Kernreaktor einen wesentlichen Teil der Kosten für den Erstkern· Zugleich ermöglicht die Erfindung einen höheren und damit wirtschaftlicheren Abbrand des aus dem ersten in den zweiten Kernreaktor umgesetzten Kernteils· Der dafür erforderliche zusätzliche Aufwand hält sich in denkbar kleinen Grenzen, weil nur die Brennelemente als Ganzes vom ersten zum zweiten Kernreaktor zu transportieren sind, nicht aber in einer Brennelementfabrik demontiert oder montiert werden müssen. Besonders günstig ist die Erfindung für sogenannte Zwillingsanlagen, bei denen zwei praktisch oder vollständig gleiche Reaktoren in unmittelbarer Nachbarschaft errichtet werden. Ba die beiden Einheiten im allgemeinen ohnehin nicht gleichzeitig, sondern in zeitlichem Abstand fertiggestellt werden, kann man hier das Verfahren nach der Erfindung deswegen besondere vorteilhaft anwenden, weil der Weg für den Transport der Brennelemente vom ersten zum zweiten Kernreaktor denkbar kurz ist.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist darin zu sehen, daß die wiedereingesetzten Brennelemente an ihrem oberen und un-

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teren Hand weniger ausgebrannt sind als in der Mitte· Dies hat eine Abflachung der im Uormalfall cosinusförmigen axialen Leistungsdiehteverteilung des Erstkerns des zweiten Reaktors zur Folge, wie sie sonst nur in späteren Abbrandzyklen oder bei einer axialen Abstufung der Brennstoffanreicherungen erreicht wird. Wegen des verbesserten Formfaktors kann man die Gesamtleistung schon während des ersten Brennelementzyklus ohne Verminderung der üblichen Sicherheitsspannen auf die Werte des Gleichgewichtsbetriebes erhöhen.

Die Erfindung kann vorteilhaft so verwirklicht werden, daß der erste Kernreaktor in an sich bekannter Weise mit mindestens drei Gruppen von Brennelementen mit unterschiedlicher Anreicherung betrieben wird und daß die für den zweiten Kernreaktor verwendeten Gruppen von Brennelementen nach einem ersten Brennelementzyklus im ersten Kernreaktor umgesetzt wird und dort einen zweiten Brennelementzyklus durchläuft, bevor sie in den zweiten Kernreaktor eingesetzt wird. Dies bedeutet, daß auch die Brennelementgruppe, die nach heute üblicher Praxis während zweier Brennelementzyklen abgebrannt werden, noch höher ausgenutzt wird, indem sie aus dem ersten in den zweiten Kernreaktor umgesetzt wird. Zur Verbesserung der Ausnutzung kann man die Brennelement mit einer Anreicherung versehen, die nicht für den ersten Kernreaktor ausgelegt ist, sondern die Verwendung im zweiten Kernreaktor mit berücksichtigt, damit optimale Ergebnisse erzielt werden.

InTPrinzip können aber alle Brennelemente, die den technologisch zulässigen Höchstabbrand noch nicht erreicht haben, in einem neuen Reaktor für eiaen weiteren Zyklus eingesetzt werden. Dies ist auch für Plutonium-Brennelemente, insbesondere mit Stahlfüllrohren, von Bedeutung. Plutonium-Brennelemente werden wegen der höheren Brennelement-Herstellungskosten höher angereichert. Die dadurch auftretende starke Untermoderation verschwindet bei hohen Abbränden. Es ist daher sinnvoll, gerade diese Brennelement, solange eine Abbrandsteierung technologisch möglich ist, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wieder zu verwenden. ₃₀9 886/0 1 82

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Es ist zweckmäßig, die in den zweiten Kernreaktor eingesetzten Brennelemente des ersten Kernreaktors über den Querschnitt des Reaktorkerns zu verteilen, um eine gleichmäßige Leistungeverteilung zu erhalten. Die optimale Verteilung läßt sich rechnerisch ermitteln. Trotz der verteilten Anordnung, die zu einer Mischung mit anderen Brennelementen führt, sollten die aus dem ersten Kernreaktor stammenden Brennelemente annähernd in der Mitte des zweiten Kernreaktors konzentriert werden.

Die Erfindung ermöglicht neben den oben genannten Vorteilen, noch weitere Einsparungen, denn der zweite Kernreaktor kann ohne abbrennbare Gifte betrieben werden, die sonst benötigt werden, um bei Druckwasserreaktoren die zur Kompensation der Reaktivität des Erstkerns erforderliche Bor-Konzentration so niedrig zu halten, daß der Reaktivitätskoeffizient der Kühlmitteltemperatur negativ ist. Abbrennbare Gifte, die in anderen Kernreaktoren aus anderen Gründen vorgesehen sind, können ebenfalls reduziert oder sogar ganz eingespart werden. Hierdurch spart man die Gifte an sich und vereinfacht darüber hinaus das Regelkonzept des zweiten Kernreaktors.

Die in den zweiten Kernreaktor eingesetzten Brennelemente erhalten vorzugsweise einen für drei Brennelementzyklen bemessenen Spaltgasraum, weil sie langer zur Leistungserzeugung herangezogen werden als das sonst bei Erstkernen üblich ist. Aus dem gleichen Grunde empfiehlt sich eine für drei Brennelementzyklen bemessene Brennstoffdichte der Brennelemente für den zweiten Kernreaktor.

Günstig ist die Anwendung der Erfindung auch bei Kernreaktoren, die mit schwerem Wasser als Kühlmittel und/oder Moderator betrieben werden, weil sie eine günstigere Leistungsdichteverteilung zu Beginn des ersten Zyklus ohne Anreicherungsabstufung der neuen Brennelemente ermöglicht. Deshalb läßt sich der zweite Reaktor nach kürzerem Teillastbetrieb auf Vollast umstellen als der erste Kernreaktor, dessen Brennelemente zum Teil den Erstkern des zweiten Kernreaktors bilden.

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Die Erfindung kann auch für mehr als zwei Kernreaktoren angewendet werden, z.B. nach folgendem Schemas

I

Inbetrieb

1974

niedr.

aus

Anr

I

β

mittle Aar«

(neu)

hohe Anr.

(neu)

II

nahme

1976

aus

I

(neu)

Reaktor

III

1977

1

aus

II

(neu)

2

(neu)

3

(neu)

Reaktor

IV

ca.

1978

1

aus

III

(alt)

2

(neu)

3

(neu)

Reaktor

V

ca.

1979

2

(alt)

2

(neu)

3

(neu)

Reaktor

ca.

.2

(alt)

2

3

Reaktor

ca.

2

(alt)

CVl

3

In der beiliegenden Zeichnung ist als Beispiel der Einsatzplan für die Brennelemente des ersten Zyklus des zweiten Kernreaktors gezeichnet. Dabei sind die aus dem ersten Kernreaktor stammenden Brennelemente, die ein Drittel des Erstkernes des zweiten Reaktors ausmachen, in der Zeichnung freigelassen, während die höher angereicherte zweite Gruppe von oben nach unten und die noch höher, angereicherte dritte Gruppe quer schraffiert ist. Man erkennt, daß die aus dem ersten Kernreaktor stammenden Brennelemente schachbrettähnlich über den dargestellten Kernquerschnitt verteilt sind. Sie sind jedoch insofern in der Mitte konzentriert, als sie vollständig von der am höchsten angereicherten dritten Brennelementgruppe umgeben sind.

8 Patentansprüche
1 Figur

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Claims

- 6 - VPA 72/9455 Patentansprüche:

1.) Verfahren zum Errichten und Betreiben von mindestens zwei Kernreaktoren mit Reaktorkernen, insbesondere von Leichtwasserreaktoren» die mehrere Gruppen von auswechselbaren Brennelementen gleicher äußerer Abmessungen aber verschiedener Anreicherung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kernreaktor errichtet und für die Sauer mindestens eines Brennelernentzyklus betrieben wird, und daß der zweite Kernreaktor errichtet und nach Ende des Brennelementzyklus des ersten Reaktors fertiggestellt und dann mit einem Reaktorkern versehen wird, der zu 10 bis 50#,vorzugsweise 20 bis 40#, aus unveränderten Brennelementen des ersten Kernreaktors besteht, die während eines Brennelementzyklus abgebrannt worden sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kernreaktor in an sich bekannter Weise mit mindestens drei Gruppen von Brennelementen mit unterschiedlicher Anreicherung betrieben wird und daß die für den zweiten Kernreaktor verwendeten Gruppen von Brennelementen nach einem ersten Brennelementzyklus im ersten Kernreaktor umgesetzt wird und dort einen zweiten Brennelementzyklus durchläuft, bevor sie in den zweiten Kernreaktor eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in den zweiten Kernreaktor eingesetzten Brennelemente des ersten Kernreaktors über den Querschnitt des Reaktorkerns verteilt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kernreaktor ohne abbrennbare Gifte betrieben wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in den zweiten Kernreaktor eingesetzten Brennelemente einen für drei Brennelementzyklen bemessenen Spaltgasraum erhalten·

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6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die in den zweiten Kernreaktor eingesetzten Brennelemente eine für drei Brennelementzyklen bemessene Brennstoffdichte erhalten.

7* Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Verwendung von Brennelementen mit hoch angereichertem Plutonium und abbrennbarem Gift in Hüllrohren vergrößerter mechanischer Festigkeit, insbesondere in Stahlrohren.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,, daß die beiden Kernreaktoren mit schwerem Wasser als Kühlmittel und/oder Moderator betrieben werden, wobei der zweite Kernreaktor beim Betriebsbeginn kürzere Zeit mit Teillast gefahren wird als der erste.

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